JP4758707B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池内に残留した水分を排出することができる燃料電池システムに関するものである。

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。ところで、このような燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応によって水が生成されているので、この水が燃料電池内に溜まったままの状態で燃料電池の稼動が終了し、その後長い時間が経過すると、冬季や寒冷地ではその水が凍結してしまうおそれがあった。そこで、このような問題に対して、従来、燃料電池の稼動を終了させる際に、乾燥したエアを燃料電池に供給することで、燃料電池に残留した水分を排出させる技術（燃料電池の掃気方法）が知られている（特許文献１参照）。

この技術によれば、乾燥したエアで燃料電池内を掃気することにより、燃料電池内の残留水分を好適に排出（パージ）することができる。なお、この技術においては、最初の状態において燃料電池内に残留水分が多く溜まっており、パージが進むにつれて残留水分が少なくなることに鑑みて、この残留水分の残量に対応すべく、図４に示すように、燃料電池の前後差圧（入口側と出口側の圧力差；圧損）を最初高くし、徐々に下げていくといった制御を行うのが望ましいと考えられている。具体的に、この制御では、燃料電池へ供給するエア流量が一定となるようにコンプレッサを制御することで、効率良く残留水分をパージできると考えられている。

特開２００４−２６５６８４号公報（段落００３０〜００３４、図１）

しかしながら、前記したようなエア流量を一定とする制御では、燃料電池内の残留水分が多ければ多いほど圧損が大きいので、コンプレッサでの消費エネルギが増えるが、その割には、残留水分のパージが良好に行われないといった問題があった。

そこで、本発明では、エネルギ消費を抑えつつ、良好に燃料電池内の残留水分をパージすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に係る燃料電池システムは、燃料ガス流路及びエア流路を有し、前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスと前記エア流路に供給されるエアとを反応させて発電をする燃料電池と、前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された前記燃料ガスが流通する燃料ガス排出路と、前記エア流路の入口に接続され、前記エア流路に供給される前記エアが流通するエア供給路と、前記エア流路の出口に接続され、前記エア流路から排出された前記エアが流通するエア排出路と、前記燃料ガス供給路と前記エア供給路とを接続する掃気用流路と、前記燃料ガス排出路と前記エア排出路とを接続する掃気ガス排出用流路と、前記掃気用流路に設けられ、開状態又は閉状態になるエア導入弁と、前記掃気ガス排出用流路に設けられ、開状態又は閉状態になるエア排出弁と、前記燃料ガス流路及び前記エア流路に、前記掃気用流路を通して掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、前記掃気ガス供給手段から前記燃料電池へ供給する掃気ガスの量を制御して、前記燃料電池の掃気を実行する掃気実行手段と、前記燃料ガス流路の圧損を検知する圧損検知手段と、を備え、前記掃気実行手段は、前記燃料電池を掃気する際に、前記エア導入弁及び前記エア排出弁を開弁するとともに、前記圧損が略一定となるように前記掃気ガス供給手段を制御して、掃気開始から掃気終了まで掃気ガスの流量を徐々に増加させることを特徴とする。

ここで、「圧損が略一定となるように」とは、「圧損が所定の低い値で略一定となるように」ということを意味する。なお、前記した「所定の低い値」は、任意に設定可能であるが、従来の課題を解決するには従来よりも総エネルギ消費量が小さくなるように設定すべきであり、望ましくは、燃料電池内の残留水分が除去可能となる最低限度の値にするのがよい。また、「圧損を検知する」とは、センサにより反応ガス流路の入口側の圧力および出口側の圧力を直接検出することを意味する他、掃気ガスの流量などの他のパラメータから推定することも意味する。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を掃気する際には、まず、圧損検知手段によって燃料電池の反応ガス流路の圧損が検知され、この検知された圧損が掃気実行手段に出力される。そして、この掃気実行手段は、前記圧損が略一定となるように掃気ガス供給手段から燃料電池に供給される掃気ガスの量を制御しつつ、燃料電池の掃気を行う。そのため、従来のような掃気の開始時に圧損を高くする制御に比べ、エネルギ消費を抑えることができる。なお、本発明のように圧損を略一定とした場合であっても、従来同様の排水効率を確保できることが実験により確認されているため、燃料電池内の残留水分も良好にパージすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記掃気実行手段が、前記燃料電池の発電停止の際に、前記掃気を実行することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の発電停止の際に掃気を行うので、次回の起動の際に、安定した発電を行うことができる。なお、「燃料電池の発電停止の際」には、発電停止直後や発電停止してから所定時間後を含むものとする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、酸化剤ガスを含むエアを前記燃料電池に供給するエア供給手段を備え、前記エアを前記掃気ガスとして用いることで、前記エア供給手段を前記掃気ガス供給手段として利用したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に燃料であるエアを供給するエア供給手段を、掃気ガス供給手段としても利用するので、装置が共有化されてシステムの小型化を達成することができる。

請求項１に記載の発明によれば、圧損が所定の低い値で略一定となるように、掃気を行うので、エネルギ消費を抑えつつ、良好に燃料電池内の残留水分をパージすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池の発電停止の際に掃気を行うので、次回の起動の際に、安定した発電を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に燃料であるエアを供給するエア供給手段を、掃気ガス供給手段としても利用するので、装置が共有化されてシステムの小型化を達成することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図２は制御部の動作を示すフローチャートであり、図３はアノード極の掃気中におけるエア流量、前後差圧、残留水分および消費エネルギの関係を示すタイムチャートである。

図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク１１、コンプレッサ（エア供給手段、掃気ガス供給手段）１２、燃料電池１３、遮断弁１４、エア導入弁１５、水素パージ弁１６、エア排出弁１７および制御部（掃気実行手段）１８を主に備えている。

高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（反応ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開弁されることで燃料電池１３へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、圧力センサ（圧損検知手段）Ｐ１が設けられている。また、燃料電池１３の出口側には、管状の燃料ガス排出路２４が設けられており、この燃料ガス排出路２４には、燃料電池１３側から下流側に向けて順に、圧力センサ（圧損検知手段）Ｐ２、水素パージ弁１６が設けられている。

なお、圧力センサＰ１，Ｐ２は、少なくとも燃料電池１３の掃気時において、燃料電池１３（アノード極側）の入口側と出口側の圧力を検出しており、それらの圧力を「圧損（燃料電池１３の前後差圧）」を示す信号として制御部１８に出力している。また、水素パージ弁１６は、制御部１８によって適宜開閉される弁であり、この水素パージ弁１６の下流側には、図示せぬ希釈器等が適宜設けられている。

コンプレッサ１２は、酸化剤ガスを含むエア（反応ガス）を圧縮して燃料電池１３に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、エアの通り道となる管状のエア供給路２２が設けられており、このエア供給路２２には、その内部を流れるエアの流量を測定するための流量計ＧＡが設けられている。なお、流量計ＧＡは、少なくとも燃料電池１３の掃気時において、燃料電池１３に供給されるエア流量を検出しており、その検出した流量を示す信号を制御部１８に出力している。また、燃料電池１３のカソード極側の出口に設けられる管状のエア排出路２５には、図示せぬ背圧弁が設けられており、これにより燃料電池１３のカソード極に供給されるエアの圧力が適宜調整されるようになっている。

燃料電池１３は、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給されるエアとを電気化学反応させることにより発電するものである。具体的に、この燃料電池１３は、水素ガスおよびエアがそれぞれ燃料電池１３内に形成された反応ガス流路１３ａ，１３ｂを通過する際に、これらの反応ガス（水素ガスおよびエア）を固体高分子電解質膜１３ｃを介して電気化学反応させることで、発電を行っている。なお、このように水素ガスとエアとが電気化学反応すると、アノード極やカソード極には水が発生するようになっている。

遮断弁１４は、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替える弁であり、制御部１８によって適宜開閉されるようになっている。

エア導入弁１５は、制御部１８によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路２１における遮断弁１４と圧力センサＰ１との間の部分とエア供給路２２とに跨るように接続される掃気用流路２３に設けられている。そして、このエア導入弁１５が閉塞した状態では、コンプレッサ１２からのエアはエア供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極側のみに供給され、エア導入弁１５が開弁した状態では、コンプレッサ１２からのエアは、燃料電池１３のカソード極側に供給される他、掃気用流路２３および燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３のアノード極側に掃気ガスとして供給されるようになっている。

エア排出弁１７は、燃料ガス排出路２４とエア排出路２５とに跨るように接続される掃気ガス排出用流路２６に設けられている。そして、このエア排出弁１７と前記したエア導入弁１５をともに開弁させることによって、燃料電池１３のアノード極の掃気が行われるようになっている。

制御部１８は、例えば運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどによって出力されるシステムの発電停止要求を受けたときに、燃料電池１３のアノード極の掃気を行うか否かを判断する機能を有している。そして、この制御部１８は、アノード極の掃気を行うと判断した場合には、前記したようにエア導入弁１５およびエア排出弁１７を開弁させるとともに、圧力センサＰ１，Ｐ２からの信号に基づいて反応ガス流路１３ａの圧損を算出し、この圧損が所定の低い値で略一定となるようにコンプレッサ１２を制御することで、エア（掃気ガス）の供給量を制御する機能を有している。なお、この圧損の値は、任意に設定可能であるが、本実施形態では、図４に示す従来の制御における残留水分がなくなったときの圧損と同じ値に設定されていることとする。なお、このように圧損を所定の低い値に設定した場合であっても、アノード極内の残留水分は好適に排出されることが、実験等により確認されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御部１８の動作について説明する。
図２に示すように、制御部１８は、アノード極の掃気を行うと判断すると（ＳＴＡＲＴ）、コンプレッサ１２を駆動するとともに（ステップＳ１）、エア導入弁１５およびエア排出弁１７を開弁させる（ステップＳ２）。続いて、制御部１８は、圧力センサＰ１，Ｐ２からの信号に基づいて圧損（アノード極の前後差圧）を算出し（ステップＳ３）、この圧損が略一定となるようにコンプレッサ１２を制御することで、コンプレッサ１２から燃料電池１３に供給されるエア流量を調整する（ステップＳ４）。具体的には、図３に示すように、圧損を略一定に保つことにより、エア流量が掃気開始から徐々に増加するように調整されるようになっており、これにより、消費エネルギ（エア流量×圧損）が、図４に示す従来に比べ、飛躍的に抑えられている。

ステップＳ４の後、制御部１８は、所定時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ５）、所定時間が経過していない場合には（Ｎｏ）、再度ステップＳ３，Ｓ４の処理を繰り返す。そして、制御部１８は、ステップＳ５において所定時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、コンプレッサ１２を停止し、かつエア導入弁１５およびエア排出弁１７を閉弁することで、アノード極へのエア供給を停止させ（ステップＳ６）、燃料電池１３の掃気を終了させる（ＥＮＤ）。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
圧損が所定の低い値で略一定となるように掃気を行うので、エネルギ消費を抑えつつ、良好に燃料電池１３内の残留水分をパージすることができる。また、圧損を低い値とすることで、燃料電池１３の固体高分子電解質膜１３ｃに与える負荷を軽減できるといった効果も奏する。

燃料電池１３の発電停止の際に掃気を行うので、次回の起動の際に、安定した発電を行うことができる。
燃料電池１３に燃料であるエアを供給するコンプレッサ１２を、掃気ガス供給手段としても利用するので、装置が共有化されてシステムの小型化を達成することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、掃気ガス供給手段としてコンプレッサ１２を採用したが、本発明はこれに限定されず、例えば掃気ガスを窒素とすることで、この窒素を貯留する窒素タンクを掃気ガス供給手段として採用してもよい。なお、この場合は、燃料電池への掃気ガスの供給量の調整は、流量を調整するバルブを適宜制御することで行うことができる。

前記実施形態では、圧損検知手段として燃料電池１３の入口側・出口側に設けた２つの圧力センサＰ１，Ｐ２を採用したが、本発明はこれに限定されず、例えば前記実施形態における流量計ＧＡで測定されるエア流量や、燃料電池１３の発電量、稼働時間等から推定される残留水分量等に基づいて圧損を推定するようにしてもよい。これによれば、２つの圧力センサＰ１，Ｐ２を省くことができ、その分部品点数削減によるコスト低減を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。 アノード極の掃気中におけるエア流量、前後差圧、残留水分および消費エネルギの関係を示すタイムチャートである。 従来の掃気中におけるエア流量、前後差圧、残留水分および消費エネルギの関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
Ｐ１，Ｐ２ 圧力センサ（圧損検知手段）
１１ 高圧水素タンク
１２ コンプレッサ（掃気ガス供給手段、エア供給手段）
１３ 燃料電池
１３ａ 反応ガス流路
１３ｃ 固体高分子電解質膜
１４ 遮断弁
１５ エア導入弁
１６ 水素パージ弁
１７ エア排出弁
１８ 制御部（掃気実行手段）
２１ 燃料ガス供給路
２２ エア供給路
２３ 掃気用流路
２４ 燃料ガス排出路
２５ エア排出路
２６ 掃気ガス排出用流路
ＧＡ 流量計

Claims (3)

1. 燃料ガス流路及びエア流路を有し、前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスと前記エア流路に供給されるエアとを反応させて発電をする燃料電池と、
   前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された前記燃料ガスが流通する燃料ガス排出路と、
   前記エア流路の入口に接続され、前記エア流路に供給される前記エアが流通するエア供給路と、
   前記エア流路の出口に接続され、前記エア流路から排出された前記エアが流通するエア排出路と、
   前記燃料ガス供給路と前記エア供給路とを接続する掃気用流路と、
   前記燃料ガス排出路と前記エア排出路とを接続する掃気ガス排出用流路と、
   前記掃気用流路に設けられ、開状態又は閉状態になるエア導入弁と、
   前記掃気ガス排出用流路に設けられ、開状態又は閉状態になるエア排出弁と、
   前記燃料ガス流路及び前記エア流路に、前記掃気用流路を通して掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
   前記掃気ガス供給手段から前記燃料電池へ供給する掃気ガスの量を制御して、前記燃料電池の掃気を実行する掃気実行手段と、
   前記燃料ガス流路の圧損を検知する圧損検知手段と、を備え、
   前記掃気実行手段は、前記燃料電池を掃気する際に、前記エア導入弁及び前記エア排出弁を開弁するとともに、前記圧損が略一定となるように前記掃気ガス供給手段を制御して、掃気開始から掃気終了まで掃気ガスの流量を徐々に増加させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気実行手段は、前記燃料電池の発電停止の際に、前記掃気を実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 酸化剤ガスを含むエアを前記燃料電池に供給するエア供給手段を備え、
   前記エアを前記掃気ガスとして用いることで、前記エア供給手段を前記掃気ガス供給手段として利用したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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